Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Продуктивность и структура надземной фитомассы сосны Среднего Урала

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "Продуктивность и структура надземной фитомассы сосны Среднего Урала"

На правах рут-..11си

•.о .

Деменев Владимир Впадимнрович

ПРОДУКТИВНОСТЬ И СТРУКТУРА НАДЗЕМНОЙ 4НТ01!Л!.:;Я; СОСНЫ СРЕДНЕГО УРАЛА

Специальность 06.03.03 - лесоведение, леесьогаво, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации на соискание ученоЛ степени нандидата сельскохозяйственных наук

Екатеринбург 1995

- г -

Работа выполнена в Уральской государственной лесотехнической академии-

Научный руководитель

- доктор сельскохозяйственных наук, профессор В. А. УСОЛЬЦЕВ

Официальные оппоненты

доктор биологических наук, старший научный сотрудник С. Г. ШИЯГОВ

- кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Е А. ГАЛАКО

Т'Л

'•елущее предприятие

- Свердловская аэрофото-лесоустроительная экспедиция

Зашита состоится сХ-сег^ 1995 г. в_10_ часов

на васеДании диссертационного совета Д 063.35.01 Уральской государственной лесотехнической академии но адресу: 620032. Екатеринбург,Сибирский тракт, 37. Диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан "______ 1395 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат сельскоховяйствонных наук / .. а ЗАЛЕСОВ

- ' "

- 3 -ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Лесной пощюв играет доминирующ/"» роль во всех процессах биосферы, и реализация лк.йой экологической программы начинается с оценки биологической прод/ктив-нооти лесных экосистем. В связи с насущной проблемой обеоие -чения экологической безопасности человека лесная биологии в определенном смысле становится прикладной наукой. Сегодня разрабатывается ряд экологических программ на международном (IGBP, IGAC, GCTE, START, BIOME, IPCC, WCRP, BukEAS) и национальном (TIGER - в Великобритании, CDRP - в США. ПОР-Ml К - и Нидерландах и т. д.) уровнях (Усольцев, 19ЭЗ). Международным сообществом финансируется и в Международном институте прикладного системного анализа в Австрии разрабатывает"')! программа по оценке биологических ресурсов лесов бывшего %'СР и их вклада в углеродный баланс (Shvidenko >.-t al. , 1Й94). Успешно завершен первый этап совместного российско-японского проекта "Накопление углерода и углеродный баланс -в лесных экосиет-е • мах", разрабатываемого Исследовательским институтом лесоводства и лесных 'продуктов в Саппоро и Якутским институтом биологии РАН с целью выяснить роль сибирской тайги в «вменении глобального углеродного баланса, а таю» влияние глобального потепления на лесные экосистемы в зоне вечной мерздоти (Takahashi, 1994). В рамках проекта ••Иэучошк- лесных экосистем" ГНТП 18 "Глобальное изменение природной грели и климата" проводятся исследования по оценке депонирования углерода в фитомассе лесных экосистем России п Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН р Mow (Исаев п др., 1993).

Характерная черта всех проводимых псследессний отсутствие единого методического подхода к проблеме , в результате . чего оценки ежегодно связываемого лесной р.ютитлль-ностьга углерода разнятся на порядок и более: но шгаетнрном уровне от 1 (Kraeuchi, 1993) до 10 (Global. PIOi.E Ргоеггг-ут!, 1991) гигатонн, а для лесов Россия - от 212 млн. т. (Исае» и др. 1ПЭЗ) До 900 (Shvidenko et al., 1994) и дан; 4330 млн. т. (Kblchugina, Vinson, 1993). При таком разбросе дашгьк 'возиоя-ноеть какого-либо прогнозирования экологической «ггуации

представляется сомнительной. . • .

Исследования автора проводились в 1988-03 годы в рамках научно-исследорательских работ кафедры лесной, таксации и лесо>-тройства Уральской государственной лесотехнической академии по госбюджетной теме 23-ЛХФ/86-2 "Повышение продуктивности и защитных свойств, комплексное использование лесов Урала." " "

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы, - исследование продуктивности и структуры надземной фитомассы сосни Среднего Урала •

В связи с поставленной целью были сформулированы задачи исследования:

- изучить закономерности распределения числа ветвей первого порядка сосны по различным показателям (диаметру, длине, фитомассе),

- изучить зависимости массы хвои и скелета (за вычетом хвои* ветви от различных легко измеряемых дендрометрических показателей отдельной ветви I порядка ,

- исследовать распределение массы скелета кроны по градациям толщин ветвей и вертикальному профилю,

- изучить зависимости массы хвои и скелета кроны от различных легко измеряемых дендрометрических показателей отдельного дерева,

- исследовать закономерности изменения некоторых квали-метрических показателей фракций надземной фитомассы от дендрометрических показателей.

Научная новизна работы состоит в дальнейшем развитии некоторых теоретических и прикладных вопросов биологической продуктивности сосняков Среднего Урала. Впервые исследованы закономерности распределения ветвей I порядка в сосняках по фитомассе и дендрометрическим показателям, а также их взаимосвязи. первые исследованы закономерности двумерного распределения массы скелета кроны сосны по толщине ветвей и вер-тг'-альному профилю, а также зависимости фитомассы и квадимет-рических показателей кроны и дерева в целом от его дендрометрических показателей.

Практическая значимость работы состоит в составлении нормативов, необходимых при разработке системы экологического

мониторинга лесов, земельного кадастра и различных систем лесохозяйственных мероприятий, направленны:: на повышение продуктивности и комплексное освоение сосновых лесов Урана.

Разработанные нормативы используются Свердловской лесоустроительной экспедицией Поволжского лесоустроительного предприятия при устройстве сосновых лесов Урала, а та*ж п лесохозяйственной деятельности предприятий Свердловского областного управления лесами.

Обоснованность выводов и предложений определяется системным подходом к решению поставленных задач на уровне многофакторных математических моделей, постановкой адекватного легко воспроизводимого эксперимента с модельными деревьями на пробных площадях, применением современных математике -статистических методов и содержательного анализа.

Апробация работы. Основные результаты исследований апробированы на конференциях: "Вклад ученых и специалистов в развитие химико - лесного комплекса", Екатеринбург, 1989, 1991; "Проблемы воспроизводства и охрани лесных ресурсов", Йошкар -Ола, 1989; "Совершенствование научного обеспечения лесохо-зяйственного производства", Пушкино, Московской обл. 1989; "Проблемы лесоведения и лесной экологии", Минск, 1990; "Проблемы дендрохронологии и дендроклиматологии (V Всесоюзное совещание), Екатеринбург, 1990; "Совершенствование ведения хозяйства в лесах Украины и Молдавии", Киев,1990; "Проблемы рациона ьного использования , воспроизводства и экологического мониторинга лесов", Екатеринбург, 1990; "Проблемы леской Сио-геоценологии и методологические основы их решения", Йошкар -Ола, 1992; "Проблемы восстановления лесов на Урале", Екатеринбург. 1992, а также на XIX Мировом конгрессе ККЖ-О, Канада, Монреаль, 1990.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено . 16 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 217 страницах машинописного текста, состоит из введения, б глаз, заключения и 11 ' приложений. Список использованной литературы включает 180 , наименований, в том числе 30 иностранных. Текст иллюстрирован 29 таблицами и 13 рисушч •vt.

- б -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Высокая трудоемкость учета фитомассы различных фракций дерева, несравнимая с традиционной стереометрической оценкой обьема ствола, стимулирует поиск исходных зависимостей на уповне ветвей I порядка как минимоделей дерева и как составных элементов кроны.

При сценке массы кроны по модельным ветвям необходима информация о репрезентативности последних, т. е. нужно знать, какие ветви I порядка взять в качестве модельных, чтобы получить наиболее точное значение массы кроны. Для этого необходимы данные о ьакономерностях распределения ветвей I порядка в кроне дерева по различным дендрометрическим и весовым показателям. Однако теория строения кроны по составляющим.ее ветвям I порядка практически не разработана. Имеются лишь единичные работы по исследованию сучковатости стволов различных древесных пород (Сукноваленко и др., 1977; Арлаускас, Тябера, •1970, Тябера, 1979; Коптев, 1990).

Аллонетриче^кие уравнения связи массы листвы и скелета ветьл с диаметром у ее основания были предложены для клена сахарного (СимптеБ, 1941), тополя канадского, ивы -прутовид-ной (Родионов, 1959) и эвкалипта (АШулП, 1962). Позднее японскими исследователями была подведена теоретическая база иод эти взаимосвязи и сформулирована теория пайп-модели (ЙШпага'к! еЬ а1. , 1964), согласно которой между площадью сечения ветви в произвольной точке и массой листвы вверх от сечения существует аллометрическое соотношение, инвариантное д.ия юроды.

Однако В. А. Усольцевым с соавт. (1994) было показано, что пайп-модель может рассматриваться лишь в качестве одного из возможных приближений к некой идеальной физиологически" обусловленной взаимосвязи названных показателей и что увеличение точности модели и повышение уровня приближения ее к идеалу связано у сосны со все возрастающим отходом от принципа инвариантности и переходом к мтюгофшяорному регрессионному «вдлвзу.

- ? -

При моделировании Сиопродукцкокных процессов в качестве исходной количественной основы используются данные по вертикально-Фракционному распределению фитомассы деревьев. Развитие этого направления шло от понятия яруса и элемента леса ' (Третьяков. 1928) к выделению Оисгеогсризоктов (Бяллочич, 1960; Уткин, Льиие, 1966). Установлены закономерности распределения массы крон сосны по возрасту мутовок (Балыков. 1989; Аткин, 1994) и проводятся исследования на стыке последнего подхода с теорией пайп-мсдели (Мзльнгакжа, 1993; Усольцес и др., 1994). Основное накопление данных по вертикально-фракционной структуре лесов идет по пути весовой стратификации ¡фон деревьев и полога насаждений по ^лояи равной толщины в абсолютных или относительных показателях (Утккн и др. , 1956). Для ельников Урала разрабо'шна модель двумерного вертикально-фракционного распределения массы скелета кроны по тплчмне ветвей и вертикальному профилю (Усольиев и др. , 1991;. Для сосняков таких данных нет.

Если методы учета объема ствола дерева разработаны детально, то по методам и результатам учета массы крон '„мезди-еся сведения противоречивы и зачастую несопоставимы. Преимущественное распространение получил весовой метол учета ¡фон. ■ Зависимость кассы кроны дерева от диаметра ствола на высоте груди в пределах одной древесной породы Еаръирует в связи с возрастом насаждения, полнотой, лесораетитедьнымк и климатическими условиями. Применение техники многофакторного регрессионного моделирования позволяет существенно уточнить зависимость массы кроны от легко измеряемых дендрометрических показателей и оценить вклад каждого фактора в объяснение общего варьирования массы кроны (Усольцев. 1985). Дня оценки надземной массы деревьев сосны Среднего Урала необходимы справочные нормативные материалы. Их полный набор пока не разработан, а исследования биологической . продуктивности сосновых лесов уральского региона находятся на началмюй стадии (Луганская, Луганский, 197'Р; Нагимсв, 1987, 1983; За-лессв, 198В; Мельникова 1993; Усольиев и др., 1994).

При исследовании биологической продуктивности лесов не-, обходимы сведения о некоторых квалиметричееких показателях фитомассы, в частности, о содержании сухого вещества и доле

- 8 - , " ' коры, а также о их взаимосвязях с легко измеряемыми дендрометрическими показателями. Установлено, что действие возраста и эколого-ценотическнх факторов на продуктивность и структуру фитомассы деревьев имеет всеобщий характер, который проявляется не только в количественных, но и в качественных показателях фракций фитомассы (Усольцев, .1988) .

г ' •

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА И ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Район исследований в соответствии с десорастительным ра-• йониров&нием В. П. Колесникова (1969) расположен в Зауральской холмисто-предгорной провинции в пределах хотой подзоны тайги.

В работе дано описание географического положения,- климата, рельефа и почв района исследования по имеющимся литературным источникам (Климатический справочник СССР, 1946; Берг, 1947; Перельман, 1955; Борисевич, 1968; Кувшкнова, 1968; Погод ча, Розов, 1968; Колесников и др., 1973; Фирсова, 1977). По данным лесоустройства проведен анализ лесного фонда. Преобладающая порода (около 502 лесопокрытой площади) - сосна -обыкновенная. Распространены ягодниковый, брусничниковый, разнотравный и осоково-болотный типы леса.

Для решения задач исследований в сомкнутых сосняках П-Х классов возраста, 11-'/ классов бонитета Уральского научно-производственного комплексного лесного ' предприятия (УНП-КЛП) УГЛТА было заложено 28 пробных площадей, на которых взято 167 модельных деревьев, в том числе по типам леса: в сосняке ягодниковом' - • соответственно 17.и 110, в сосняке брусничниковом 8 и 44, и в сосняке осоково-болотном - 3 и 13. Для расчленения фитомассы на древесину и кору и для перевода фракций фитомассы не абсолютно сухое состояние было взято 1030 образцов древесины и коры неохвоенных и 676 - охвоенных ветвей, ?")12 выпилов стволов и 344 навески хвои.

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. "

При выполнении работы использован метод временных пробных площадей, заложенных в соответствии с ООТ 56-59-83 "Пло-.гавдш пробные лесоустроительные". Модельные деревья отбирали в

пределах всего диапазона их варьирования на пробной площади. Надземная фитомасса деревьев делилась на фракции: древесина и кора ствола, древесина и кора ветвей, хвоя, которые по пробным выпидам и навескам термовесовым методом приводились к абсолютно сухому состоянию. Ео этим кэ навескам предварительно вычислялась масса коры и древесины как в стволе так и в кроне. Древесная зелень (сортимент для последующей переработки) обрезалась секаторами со всей кроны и учитывалась только в сзежем состоянии.

При исследовании вертикально-фракционного распределения массы кроны каждая ветвь, без учета ее порядка, делилась на градации по толщине с интервалом, кратным 2 мм. В зависимости от размеров ветви количество градаций колебалось ст 2 до 18.

Материал обработан в основном по программе многомерного регрессионного анализа ШАК на персональном крмпьютере 1ВМ РС АТ с оцениванием точности уравнений г.о коэффициенту детерминации и достоверности коэффициентов уравнений - по величине критерия Стьюдента на уровне значимости Ц05).

' 4. ПРОДУКТИВНОСТЬ И СТРУКТУРА ФИТОМАССЫ НА УРОВНЕ . ОТДЕЛЬНОЙ ВЕТВИ ДЕРЕВА.

Модельная ветвь представляет собой исходную составлявшую для оценки массы дерева, так же как модельное дерево является исходном элементом для оценки фитомассы древостоя в целом. Закономерности распределения числа ветвей по линейным и весовым показателям изучены на 8 пробных, площадях в сосняках ягодникового и осоково-болотного типов леса, П-Х классов возраста, ' на которых по классам Крафта отобрано 15 модельных деревьев с обмером и взвешиванием все", ветвей 1 порядка.

. Установлено, что коэффициент вариации диаметра ветвей составляет 36-72%, длины ветвей - 42-94% и массы ветвей -68-110%. Варьирование массы ветвей, как и варьирование массы крон деревьев (Семечкина, 1978), выше, чем варьирование соответствующих линейных показателей. Однако известный факт большей изменчивости диаметра ствола по сравнению с высотой дерева (Никитин, Швиденко, 1978) не подтвердился на уровне вет"и, где изменчивость длин превышает таковую для диаметров ветвей.

-10 - - -Изменчивость названных показателей ветвей у деревьев одного ¡масса Крафта увеличивается с возрастом древостоя, а в преде- • лак выделенных возрастных групп снижается с ухудшением цено-тнческого положения дерева.

Показатель асимметрии рядов распределения ветвей по названным признакам с возрастом древостоев изменяется с отрицг-тельного значения на положительное, т.е. в противоположной тенденции по отношению к распределению деревьев в древостое. Возможно, это связано с тем, что отпад деревьев в древостое идет с левой части ряда распределения, а отпад ветвей у дерева - с правой части, т. е. с наиболее толстых ветвей, расположенных в ни,тлей части кроны. Однако распределения ветвей по длине, диаметру и фитомассе существенно различаются и.описываются разными Функциями. Это значит, что место средней ветви в ряд\ распределения различное для разных показателей и метод средней ветви для оценки массы кроны непригоден. Эмпирические ряды-распределения ветвей удовлетворительно описывается гамма - я бета-функциями.

В целом, закономерности строения крон по размерам и массе ветвей и древостоев по размерам деревьев резко отличаются и по многим показателям имеют противоположные тенденции..

Установлено, что изменчивость общей массы ветвей и хвои соответственно на 32% и 70Z объясняется учетом в регрессионном уравнении двух факторов - длины и диаметра у основания ветви. На основе полеченных моделей составлены двухвходовые таблицы общей массы ветвей и массы хвои как в свежем, так и в абсолютно сухом состояниях. Дополнительный -учет ценотического положения дерева в древостое, опосредованного диаметром на высоте груди, 'повышает долю объясненной изменчивости соответственно до 91% и 80%. Поскольку у растущих сосен проще изморить возраст ветвей, а не их длины, в последнем уравнении длина ветви заменена ее возрастом. Полученные в итоге трех-факторные уравнения и соответствующие им таблицы по точности (детерминация соответственно 87 и 75%) занимают промежуточное положение, м&аду первыми двумя.

- 11 -

5. БЕРТИКАЛЬНО-ФРАКЦИОНШЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФИТОМАССЫ КРОНЫ.

Если в предыдущем разделе исследовались закономерности ра пределения числа ветвей по толщине и массе, то в настоящем разделе исследованы закономерности распределения массы ветвей по их толщинам, которые ьависят прежде всего от размера градации толщины ветвей (Usoltsev, 1989). Чтобы исключить влияние последнего на характер распределения , значения фитомассы (Р, кг) приведены в виде кумулят, или интегральных кривых распределения, и установлена их зависимость от толщины ветви (d, см). Поскольку константы этой зависимости варьируют в связи с возрастом (А, лет) и диаметром ствола на высоте груди (D, си), получено трехфакторное уравнение вида

Р - f(d. A, D), (1)

с коэффициентом детерминации 0,976, и составлена соответствующая Tj-ехвходовая таблица.

Однако при этом остается неизвестной иерархия массы ветвей по вертикальному профилю дерева, что необходимо при моделировании процессов обмена веществ, .газообмена, радиационного режима, при идентификации моделей лесных пожаров и дистанционных методов исследования структуры полога Поэтому было рассчитано четырехфакторное уравнение вида

Р - f(d, h, A, D), (2)'

где h - относительное положение горизонтальной секции кроны, выраженное ее порядковым номером (от 1 до 6) в направлении от вершины к основанию кроны. Коэффициент детерминации '0,884) при этом оказался несколько ниже, чем в уравнении (1), поскольку здесь аппроксимируются значения фитомассы, доля которых в общей массе скелета кроны меньше, чем в уравнении (1). Точность же уравнения, аппроксимирующего распределение фитомассы дерева, в значительной мере определяется долеР фракции в общей массе: чем меньше доля, тем с большей ошибкой она определяется (Усольцев, Крепкий, 1994).

Анализ двумерного распределения массы ветвей Р после табулирования уравнения (2) и преобразования кумулятивных значений в исходные показал, что в возрастном диапазоне от 30 до 110 лет при фиксированных возрасте и диаметре ствола ма''са ветвей в 'каждой секции кроны h закономерно снижается с увели-

- 12 - ' '

чением толщины ветвей d. В вертикальном направлении при фиксированных возрасте и диаметре ствола максимальные значения массы аетвей приходятся на третью секцию от вершины, т.е. вертикальное распределение массы ветвей имеет куполообразный характер как в кроне в целом, так и в отдельных градациях толщин. При фиксированных значениях диаметра ствола, номера секции и толшлгы ветвей масса ветвей с возрастом дерева снижается, что объясняется снижением рангового положим дерева в пологе.

б. ИНДУКТИВНОСТИ И СТРУКТУРА ФЙТОМАССЫ ОТДЕЛЬНОГО ДЕРЕВА.

Реализация системного подхода к исследованию биологической продуктивности насаждения на уровне составляющих его исходных единиц - деревьев предполагает на первом этапе выбор факторов, определяющих эту продуктивность. Все множество эн-",о- и экзогенных воздействия на насаждение в той' или иной степени отражается в его морфологии и в морфологии составлякн. l'ijix деревьев. Задача состоит в том, чтобы отбираемые факторы были, бо-первых, достаточно информативны, во-вторых,- легко измеряемы, и, в-"ретьих, соответствовали определенному целевому назначению.

Применительно к подбору структуры модели для оценки фи-томассы фракций дерева проблема состоит еще и в .том, что разные фракции надземной фитомассы отражают в . своей морфологии информацию за временные периоды различной длительности: ствол - завесь период роста, скелет кроны - . только за 10-40 последних лет, а хвоя - аа 3-4 последних года. Масса хвои, практически сопрягается не с накопленным за всю историю роста объемом (массой) ствола,' а с первой производной этого возрастного тренда, т.е. с текущим приростом за последние 3-4 года.

Ifo экспериментальным данным фитомассы 69 модельных деревьев, взятых на 15 пробных площадях в сосняке ягодиикового типа леса, II - III классов бонитета, в диапазоне со II по X классы возраста рассчитаны последовательно следующие уравнения .

In Pl - aQ+ a^nD, (3)

■ . - 13 -

1п Р1 - а0+ а^1п(Б?Н) , (4)

1п Р1 - а0+ а^1пОок , (5)

1п Р1 - а0+ а^пБ + а21пА , (6)

где Р1 - масса фракции дерева в абсолютно сухом состоя-• нии, кг; Н - высота дерева, м; Оок - диаметр ствола у основания кроны, см. Установлено, что из четырех уравнений нет ни одного, которое являлось бы лучшим для всех фракций надземной, фитомассы. Для оценки .массы ствола лучшим (I? ~ 0,992) оказался так называемый "видовой цилиндр" (0 г Н), который при незначительной изменчивости видового числа обеспечивает практически функциональную связь. Уравнение (5), опосредующее эффект ксилемного транспорта в теории пайп-модели, оказалось наилучшим для массы хвои (0,934) и скелета кроны (0,979). Однако око совершенно непригодно для оценки массч стволов в сравнении с (3): 0,779 < 0,984. Компромиссную ситуацию, когда получаемая точность оценки примерно одинаковая для всех фракций, обеспечивает уравнение (б), включающее, кроме диаметра О, в качестве второго фактора возраст дерева А. Ьмеокая ин-' формативность последнего при оценке массы кроны объясняется изменением рангового положения дерева одного диаметра с возрастом, в результате чего при постоянном диаметре V масса кроны тем больше, чем молохе дерево. Для массы ствола уравнение (6) также дает приемлемую точность, несколько более высокую, чем (3) (0,987 > 0,984), поскольку в одном типе леса возраст в некоторой степени опосредует второй обътюобраэу»-: щий фактор - высоту ствола. По уравнению (6) составлена двухвходовая таблица оценки надземной массы дерева.

Поскольку все современные объемные и сортиментные таблицы имеют в качестве входов высоту Н и диаметр 0 ствола, для дополнения их данники о в^.ей надземной фитомзссе рассчитаны . уравнения

1п Р1 - а + а 1п0 + а Н + а ЮпВ , (7)

с коэффициентами детерминации Для ствола, скелета крона и хвои соответственно 0,991; 0,923 и 0,850. Составленная по уравнению (7) таблица надземной фитомассы показывает, что закономерности изменения массы ствола и крона в сеязи с разрядом высоты противоположные: масса ствола при снижении разряда' высоты уменьшается, а масса кроны - возрастает,, по-вядчмо-

wy, вследствие того, что на низшие разряды высоты приходятся более молодые деревья, имеющие, как уже отмечалось, относительно более рачпитую крону.

составление зекчза таблиц биологической продуктивности, например, при 10 модельных деревьях на пробной площади по 10 классам возраста и 5 типам леса требует взятия (10x10x5) 500 модельных деревьев. Однако в связи" с безотлагательной потребностью в составлении банков данных по фитомассе лесов времени на составление таких таблиц у.же нет и приходится использовать метод среднего дерева, при всех известных его недостатках. Влияние последних на точность оценок фитомассы древостоев на 1 га можго существенно снизить, если среднее дерево оценивается по нескольким определяющим факторам одновременно, а именно по показателям возраста А, диаметра D и высоты К- В этом случае фитомасса дерева определяется по уравнению:

Pi - f(A, D, Н). (8)

Насчет подобных трехфакгорных уравнений для всех фракций надземной фитомассы дерева показал, что обш?я детерминированность их находится на уровне двухфакторных уравнений (6; и (7), хотя константы при всех трех факторах статистически значимы на уровне t(05).

Для совмещения модели (8) со структурой таблиц хода роста (ТХР) выведено вспомогательное уравнение

Н - f(A, D, К(ЮО)) , ' (9) .

где Н( 100) - масс бонитета, выраженный средней высотой древостоя (к) в базовом возрасте 100 лет. согласно шкале КМ.Орлова. •

Последовательное табулирование уравнения (9) по задаваемым значениям А и Н(100).из ТХР и значениям ступеней толщины D и затем - уравнеш-г (8) дало в итоге трехвходовуи таблицу на уровне дерева, совместимую по структуре с ТХР. Если известны ряд" распределения деревьев по толщине для каждого значения А и Н(100) ТХР, то получаем эскиз таблицы биологической продуктивности, совмещенной с ТХР по кривым распределения. Если таких данных нет, то эскиз таблицы биопродуктивности составляется по мете,у сраднего дерева. Путем подстановки в (8) значений возраста средних диаметра D и высоты И. с последующим умножением на табличное число стволов на 1 га

получаем эскиз таблицы биопродуктивности, не совмещенной с ТХР по кривым распределения.

Полученные по уравнению (8) данные о надземной фитомасее с сняка ягоднккового II класса густоты (в качестве примера) и данные эскиза таблицы биопродуктивности для тех «е условий (Мельникова, 1993; Уссльцев и др. , 1994) оказались близкими (таблица). Исключение составляет I класс возраста, где метоп среднего дерева дает существенное завышение по всем фракциям, возможно, вследствие наибольшего отклонения ряда распределения деревьев в этом возрасте от нормального.

Таблица

Сравнение показателей надземной фитомассы, полученных методом среднего дерева по уравнению (8), с соответствующими показателями таблицы биологической продуктивности сосняка ягодникового II класса густоты.

Такс, показатели и! фракций фитомассы!

Возраст, лет 20 '1 40 ! 60 I

I

80 ! 100 » 120 !

(. Нагимов, 1984)

Сред.диаметр В.см 4,7 11,0 16,6 21,5

Сред, высота Н,м 5,9 12,4 17,5 21,2

Густота,тыс. шг/га 11,649 3,053 1.617 1,058

(Усольцев и др., 1994)

Ство;' 22,0 70,0 113,0 144,0

Скелет кроны . 5,3 11,7 13,6 14,7

Хвоя 3,5 4,9 5,1 5,0

Уравнение (8)

Ствол 33,0 71,0 113,0 148,0

Скелет кроны 5,9 9,0 £",0 11,3

Хвоя 4,6 5,4 5,4 5,1

25,8 23,6 0,772

170,0 16,3 5.0

172,0 13,2

4,8

29,5 24,7 о,607

190,0 19,1 5,0

184,0 15,4 4,4

В экологических исследованиях, где необходимы данные о динамике массы крон, и в частности, ассимиляционного аппарата сосны, в связи с климатическими и антропогенными воздействиями, уравнения (3)-(8) могут оказаться неприемлемы и необходим учет более динамичного определяющего фактора - радигш. -ого прироста 7,(см). Полученные нами уравнения вида

. - 16 - / .

Pi -f(D, Z), (10)

с коэффициентами детерминации для хвои 0,931 и для скелета кроны 0,962 были сравнены с аналогичными уравнениями для сосняков Тургайского прогиба в условиях сухой степи в широком возрастном и эколого-ценотическом диапазоне, включающем как естественные сосняки, так и культуры (Усольцев, 1988). Различие структуры и продуктивности крон сосны двух регионов значительное. При малых значениях Z у стволов одного диаметра масса кроны больше на Урале, а при больших значениях - наоборот, больше в Казахстане. Это различие возрастает по мере увеличения диаметра,ствола. Сочетания экзо- и эндогенных воздействий, определяющих величину Z, в двух регионах различные, поэтому трудно дать лесоводственное объяснение столь существенным расхождениям. Можно лишь ' констатировать, что взаимосвязь массы кроны с приростом площади сечения ствола очень ; изменчива, ее нельзя считать инвариантной.

7. НЕКОТОРЫЕ КВАЛйМЕТР№ЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ .НАДЗЕМНОЙ ФИТОМАССЫ.

Из совокупности квалиметрических показателей, характеризующие надземную фитомассу'деревьев, взяты для исследования процент коры Пк по массе в свежем состоянии и содержание сухого вещества S,%.

Первый из них необходим для расчленения массы ствола и скелета кроны на древесину и кору, а второй - для перевода фитомассы со свежего ira абсолютно сухое состояние. Закономерности изменения их в связи с дендрометрическими показателями деревьев исследованы для кроны и ствола раздельно. Рассчитаны средгче значения названных показателей, их ошибки и коэффициенты вариации. Изменчивость последнего показателя для древесины ветвей составила от 5 до 19%, для коры ветвей - от 3 до 18% И для хвои - только 2-5%. Для процента коры в ветвях изменчивость варьирует от 5 до 19%. . ■ ;

Процент (юры в ветвях Пк определяется толшдаой ветви с1(см) и может быть рассчитан по уравнению

lis ilic » 3,61 - 0,69 Ind. • CID

с «юяфф:щие?'Т'",м детерминации 0,780.

- 17 -

После расчета-показателей Пк и 5 для кроны в целом, проведен их регрессионный анализ в связи с возрастом А, - диаметром 0 и высотой Н дерева. Поскольку некоторые факторы в этих уравнениях, определяющих величину Я, значимы на уровне 1(01), можно говорить лишь о некоторых тенденциях, Тг»к, величина 3 в ветвях деревьев одной ступени толщины с возрастом несколько увеличивается, поскольку происходит сдвиг такого дерева в низшие классы роста, отличающиеся относительно низкой активностью физиологических процессов. По этой же причине значения Б выие а низких ступенях толщины в сравнении с виоокими яри одном и том же возрасте. Дчя квалиметрических показателей стволов ягодникового типа леса рассчитаны уравнении, включавшие два определяющих фактора - возраст А и ценотичеекое положение, опосредованное диаметром 0, и для совокупности исследованных типов леса эти уравнения дополнены показателями высоты дерева Н. Они оказались существенно более детер'.,.-тированы для процента коры (0,89-0,90), чем для показателей 3 (0,34-0,56). Это свидетельствует о том, что величина 3 варьирует в зависимости от многих факторов, • значительная часть которых не опосредуется дендрометрическими показателями дерева.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ современных тенденций в огенке хо&г.йствешюй и биосферной роли леса показывает, что требовании к уровню наших знаний о количественной и качественной характеристиках фитомассы лесов существенно повысились. Возникает потребность в новых методах исследования структуры и продуктивности Физо-массы лесов на основе системного подхода, позволяющих оценивать многофакторное влияние на них онтогенетических и экадо-го-ценотических воздействий и оптимизировать биопродукциошшй процесс лесного полога.

Лесная фитомасса аккумулирует ретроспективную информацию о реакции фитоценоза на воздействия зпдо- экзогенные Факторов в пространстве и во времени, и овладение методами распшфр» .?ки этой информации является необходимым условием для оптимизации названного процесса.

В работе установлено, ' что характер распределения ветвей

- 18 - -

I порядка по щ дендрометрическим и весовым характеристикам принципиально отличается от распределения 'числа деревьев в насаждении по аналогичным характеристикам. ' Показатель асимметрии рядов распределения ветвей по названным характеристикам с возрастом древостоев изменяется с. отрицательного значения на положительное, т. е. в противоположной тенденции по отношению к рядам, распределения деревьев в древостое по аналогичным характеристикам. Возможно, это связано с тем, что отпад деревьев в древостое идет с левой части ряда распределения, а отпад ветвей у дерева - с правой части, т. е. с наиболее крупных ветвей, расположенных в нижней части кроны. Предложенные юдэли и таблицы массы ветвей дают возможность определить массу кроны расчетным методом - путем обмера дендрометрических показателей ветвей, без взвешивания всей кроны. Метод средней ветви для оценки массы кроны непригоден.

Представленные регрессионные модели вертикально-фракционного распределения фитомассы кроны могут быть совмещены с динамическими моделями круговорота вешэств в лесу, распространения лесных пожаров, хода роста насаддений, прогноза численности популяций листогрызущих и копытных и т. д.

В зависимости от г,елевого нагиачения регрессионные модели и таблицы фитомассы деревьев могут включать различныё дендрометрические показатели, они могут применяться как непосредственно при подерееном перечете, так и в качестве первой придержи при составлении таблиц биологической продуктивности сосновых насаждений.

Использование радиального прироста как одного из Факторов в регрессионной модели массы кроны дает, возможность предсказывать возможные флуктуации ассимиляционного аппарата в связи с климатическими факторами.

Квалиметрические показатели, в четности содержание сухого вещества, варьируют в еавкскмостк от многих факторов, и не Есе они опосредуются дендрометрическими показателями дерева. Поэтому возможности использования последних при оценке квакиметрических показателей надее;,шой фитомассы ограничены.

В результате проведенных исследований получена информация о структуре и продуктивности надземной фитомассы сосняков Среднего Урала на уровне ветви , дерева и насаждения в целом.

которая является основой при разработке баз данных по Фито-массе лесов. Многомерные модели и таблицы фитомассы могут быть совмещены * с повьщельным банком данных лесоустроительной иг-Зормации и применены при разработке экологических программ локального , национального и глобального уровней.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Нагимов 3. Я., Деменев В. В. Надземная фитомасса и ее вертикальное распределение в сосновых древостоях // Вклад ученых и специалистов в ускорение науч. -техн. прогресса хими-ко-лесн. комплекса: Тез. докл. - Свердловск: УЛТИ, 1989. С. 9?.

2. Нагимов 3. Я. , Деменев В. В. Особенности формирования надземной фитомассы сосновых древостоев на Среднем Урале // Проблемы использования, воспроизводства и охраны лесных pecypjOB: Тез. дога. -Йошкар-Ола: МарПИ, 1969. -С. 27-28.

3. Нагимов 3. Я. , Деменев В. В. Распределение ветвей по таксационным признакам на деревьях сосны // Совершенствование научного обеспечения лесохозяйственного производства: Тез. докл. - Пушкино, Мэск. обл.: ВГОШМЛХ, 1989. -С. 41-42.

4. Нахимов 3. Я. , Усольцев ¿л А. , Деменев В. В. , Тепикин С. Е Змтомасса крои в сосняках и ельниках Среднего Урала // Проблемы лесоведения и лесной экологии: Тез. дом. - M ■ ИЗБ, 1990. -С. 236-239.

С. Усольцев В. А., Крепкий И. С., Нагимов 3. Я , Деменев

B. В. , . Тепикин. С. В. Распределение массы ветвей и корней по толщине и вертикальному профилю как специфическая характеристика биопродуктивности лесных экосистем // Проблемы лесоведения и лесной экологии: Тез. докл. -М. : ИЭВ, 1990. -0. 246-249.

6. Деменев В. В. , Мельникова И. В. К методике перевода фитомассы деревьев из сырого в абсолютно сухое состояние /. Проблемы рационального использования, воспроинводства и экологического мониторинга лесов: Информационные материал. Свердловск: УрО АН СССР. 1991. -С. 51- 54.

7. Усольцев В. А., Нагимов 3. Я., Деменев R' Р. , Te«i"*ri

C. R Использование радиального прироста при оценке wnsicu г. сосны и ели на Среднем Урале //Пробл. дендрохрокгд. к

роклиматол. : Теэ( докл. -Свердловск: ИЭРиЖ, 1990, -С. 146-147.

8. УсольЦев В. А., Нагимов 3. Я , Деменев В. В. Распределение массы ветвей - сосны по толщинам и'вертикальному профилю: моде лрование и составление таблиц // Совершенствование ведения хозяйства в лесах Украины и Молдавии: Тез. докл. -Киев: УСХА, 1990. С. 124-125.

9. Demenev V. V., Nagimov Z.-Y. , Тер i kl ri S. V. , Usoltsev V. A. , Sharafutdinov R. R. Profile and thickness distribution of branch and root biomass as specific characteristics of • forest, biological productivity // XIX World Congress Proc. ,. IUFR0, Division 4. - Canada, Montreal, 1990.-p.7.

10. Деменев В. В. Статистические характеристики при переводе фитомассы крон в абсолютно сухое состояние // Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса: ' Тез. докл. -Свердловск: УЛТИ, 1991. -С,

11. Нагимов 3. Я, Деменев В. В. Полифакторные регрессионные модели компонентов надземной фитомасси // Вклад ученых и специалистов ~ развитие химако-лесного комплекса: Тез. докл. -Свердловск: УЛТИ, 1691. -С.

12. Усольцев В. А. , Нагимов 3. Я , Деменев В. В. Норматив для таксации древесной зелени в высокополнотных сосновых дрс-еостоях Среднего Урала // йнф. листок N 52-01 - Свердловск: СМЦНГИиП, 1991. -С. 4. '

13. Усольцев В. А., Нагимов 3. Я , Деменев В. В., Шарафут-динов Р. Р. Таблицы распределения массы ветвей по их толщинам в сосняках Среднего Урала // Лесн. ¡кури'. -1991. M 1. С. 7-12.

14. Деменев B.Ê , • Мельникова И. В. Фитомасса деревьев сосны в онтогенетической и эколого-ценотической динамике // Проблемы лесной биогеоценологии й методологические основы их решеякя: Тез. дога. -Йошкар-Ола: Map. ПИ, 1992. -С. 51-54.

15. Мельникова И. В., Нагимов 3.1, Деменев В. В. Ход роста'наземной фктомассы сосняков ягодниковых ■ Среднего Урала // Проблемы восстановления лесов на Урале: Тев.докл. -Екате-"чнбург: Наука. Уральское отделение, 1992. -С. 20-22.

1 б. Усольцев В. А., Нагимов 3. Я , Деменев В. В. , Мельникова И. В. Методы и таблицы оценки надземной фитомассн деревьев // Леса Урала и хозяйстго в -Вып. 16. Екатеринбург: 1993. -С. Ю-ПО.